Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 1/2014 (101) 135 Sławomir Szymaniec, Politechnika Opolska, Opole Paweł Rydlik, TurboCare Poland S.A. Lubliniec DIAGNOSTYKA WIRNIKÓW GENERATORÓW SYNCHRONICZNYCH NA ETAPIE ICH REMONTU I RETROFITU TURBOGENERATOR`S ROTORS DIAGNOSTIC DURING RENOVATION AND RETROFIT Streszczenie: W artykule przedstawiony został przykładowy plan badań i prób jakim jest poddawany remontowany wirnik oraz podstawowe dane techniczne wyważarki i zespołu urządzeń z nią związanych. Prace serwisowe, które zostaną wykonane na wirniku są zróżnicowane pod względem zakresu, jednakże każdy remontowany wirnik po ich zakończeniu zostaje zamontowany na wysokoobrotowej wyważarce celem wyważenia, przeprowadzenia próby wytrzymałości mechanicznej i pomiarów elektrycznych. Wysokoobrotowa wyważarka zaprezentowana została jako stanowisko do wykonywania pomiarów elektrycznych i mechanicznych. Dzięki specjalnej budowie bunkra można zasymulować i obserwować stan dynamiczny wirnika podczas procesu nagrzewania uzwojenia na obrotach znamionowych. Moc zainstalowanych napędów oraz konstrukcja wyważarki daje możliwość zamontowania wirników o wadze do 80 000 kg. Podczas 22-letniej pracy odwirowni wyważono ponad 800 wirników różnej mocy i konstrukcji. Największa jednostka to wirnik o masie ok. 75 000 kg. W artykule zostały przedstawione dwa przypadki wykrycia zwarć międzyzwojowych w remontowanych wirnikach, które występowały jedynie w stanie dynamicznym oraz przykładowe poziomy drgań bezwzględnych łożysk i względnych drgań wałów wyważonego wirnika generatora. Abstract: Following article presented selected and performed plan of tests and checklists during renovation of the rotor; It shows basic technical data about balancing machine and another tools needed for balancing. Rotor s service may vary one from another but always consist of finalizing test proceed in balancing facility on the machine to balance the rotor and to perform mechanical and electrical tests. High-RPM Balancing machine was presented as the stand where electrical and mechanical tests may be done. Special construction of the balancing bunker permit to simulate and watch dynamic state of the rotor during heating process at nominal rpm. Power of installed engines and construction of balancing machine enable to balance rotors up to 80 000kg. During 22-years of work at our facility were balanced more than 800 different rotors vary from power and construction. Weight of the biggest one balanced in our facility was about 75 000 kg. Following article presented two situation of short circuit in renovated rotor seen only in dynamic state and value of relative and absolute vibrations of bearing in balanced rotor. Słowa kluczowe: maszyny elektryczne, izolacja zwojowa, zwarcia zwojowe, badania diagnostyczne, wyważanie, wyważarka wysokoobrotowa Keywords: electrical machines, winding insulation, diagnostic tests, short circuit, balancing, high speed balancing machine 1. Wstęp Poniższy artykuł prezentuje możliwości przeprowadzenia badań diagnostycznych w firmie remontowej na wirnikach generatorów synchronicznych na różnych etapach przeprowadzanego remontu. Zakład remontowo-produkcyjny posiada wieloletnie doświadczenie w naprawach i dostarczaniu najnowszych rozwiązań dla generatorów świadcząc usługi na rynku krajowym i zagranicznym. Aby zapewnić sprawną i niezawodną pracę generatora wirnik przy remoncie bieżącym bądź kapitalnym przechodzi szereg badań zarówno mechanicznych, jak i elektrycznych. W artykule autorzy pragną skupić się na etapie pomiarów elektrycznych i mechanicznych wykonywanych w odwirowni wirników. Stanowią one końcowy etap badań wirnika po remoncie. Wysokoobrotowa wyważarka daje możliwość przeprowadzenia pomiarów w całym zakresie prędkości obrotowej. Odwirownia posiada możliwość nagrzewania wirników prądem na obrotach znamionowych. Podczas tego procesu w uzwojeniu wirnika płynie prąd stały (do 1000 A), który nagrzewa uzwojenie do temp. ok. 100 O C, co daje możliwość obserwacji stanu dynamicznego wirnika w zależności od wzrostu jego temperatury.
136 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 1/2014 (101) 2. Określenie zakresu remontu i pomiarów Przed przystąpieniem do remontu wirnik przechodzi szereg badań, by ocenić czy zaplanowany zakres remontu jest wystarczający. Zakres oferowanego remontu może być bardzo zróżnicowany zaczynając od wymiany pojedynczych elementów (kołpaki, sprzęgło, piasty wentylatorów) poprzez całkowite przezwojenie i modernizację zwiększającą moc jednostki kończąc na wykonaniu całkowicie nowych wirników. Rys. 1. Wirnik generatora synchronicznego[1] Rys. 2. Zdjęcie przedstawia wał wirnika przygotowywany do uzwajania[4] Rys. 3. Zdjęcie przedstawia wirnik przygotowany do procesu nagrzewania[4] Poniżej przedstawiono plan badań i prób dla wirnika, na którym został przeprowadzony remont kapitalny. W czasie jego trwania można wyróżnić trzy etapy badań: wstępne, międzyoperacyjne, końcowe. Wstępne badania elektryczne i mechaniczne wykonywane przed remontem: pomiar rezystancji izolacji, pomiar rezystancji uzwojenia przy ustalonej temperaturze wirnika, pomiar impedancji statycznej wirnika, pomiar strumienia rozproszenia na powierzchni wirnika, pomiar spadków napięć na biegunach wirnika, sprawdzenie stanu izolacji zwojowej badanie RSO, zdjęcie średnic wszystkich powierzchni, pomiar centryczności. Międzyoperacyjne badania elektryczne i mechaniczne: próba napięciowa kanałków żłobkowych wykonana w sztucznym żłobku napięciem przemiennym, próba napięciowa wyprowadzeń, próby i pomiary elektryczne uzwojenia wirnika w trakcie uzwojenia, pomiary elektryczne uzwojenia wirnika przed zaprasowaniem, pomiary elektryczne uzwojenia wirnika po zaprasowaniu, pomiary elektryczne po zaklinowaniu uzwojenia, pomiary elektryczne po założeniu pierwszego kołpaka, pomiary elektryczne po zamontowaniu drugiego kołpaka, próby i pomiary uzwojenia po połączeniu uzwojenia szynoprzewodami z pierścieniami ślizgowymi, badanie penetracyjne lub magnetycznoproszkowe powierzchni: czopów, uszczelnień olejowych, miejsca przejścia średnic wału, pierścieni centrujących, kołpaków, miejsca osadzeń piast wentylatorów (wał wirnika), strefy zębów od strony czołowej i miejsca osadzenia kołpaków, łopatek, klinów żłobkowych, kompletnego odpływu prądowego, badanie ultradźwiękowe (dno żłobków, obszar zębów beczki, powierzchnie czopów, uszczelnień olejowych, pierścieni centrujących), odkuwek wentylatora pierścieni ślizgowych, pierścieni centrujących, kołpaków, badanie twardości piast wentylatorów oraz pierścieni ślizgowych, badanie magnetyczno-proszkowe: piast wentylatorów,
Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 1/2014 (101) 137 pierścieni ślizgowych, wentylatora pierścieni ślizgowych, pierścieni centrujących, dna żłobka beczki wirnika. badania nieniszczące półsprzęgła, legalizacja mechaniczna wirnika. Pomyślne zakończenie testów kończą badania na odwirowni wirników. Stanowisko to pozwala na przeprowadzenie badań w całym zakresie prędkości roboczej remontowanego wirnika, wykonanie próby wytrzymałości mechanicznej oraz na uspokojenie stanu dynamicznego wirnika zgodnie z obowiązującymi normami (ISO 1940, ISO 11342, ISO 7919, ISO 10816). Pomiary końcowe są wykonane po opuszczeniu odwirowni, a przed transportem wirnika do miejsca zainsatlowania: pomiar centryczności, pomiar rezystancji izolacji, pomiar rezystancji uzwojenia, pomiar RSO. 3. Podstawowe dane techniczne wyważarki Schenck DI90 Wyważarka przystosowana jest do wyważania wielopłaszczyznowego. Podczas dotychczasowej pracy wyważono ponad 800 wirników zróżnicowanych pod względem konstrukcji, mocy i masy. Maksymalna, możliwa waga wyważanego wirnika to 80 000 kg., a najwyższa osiągalna prędkość 4500 obr/min[3]. Dotychczas najcięższa wyważana jednostka to wirnik o mocy 700 MW i wadze 75 000 kg. Dzięki specjalnej budowie bunkra odwirowni, wyważarka ma rzadko spotykaną możliwość nagrzewania wirników prądem na obrotach znamionowych. Wyważarka składa się z następujących podzespołów: łoża maszyny, 2 stojaków łożyskowych DI 90, stojaka łożyskowego do podparcia III łożyska, 2 wózków transportowych, wału pośredniego z wbudowanym napędem obracającym, 5 precyzyjnych wałów przegubowych, stacji zasilania olejem smarowym, stacji oleju wysokociśnieniowego, pulpitu do przyrządów pomiarowych i sterowania napędem, kompletnego napędu prądu stałego, przekładni hydrokinetycznej, sprzęgła sprężystego, przyrząd pomiarowy CAB920, cyfrowego urządzenia do pomiaru liczby obrotów, urządzenia Vibrocontrol 2000, urządzenia M358 do kontroli siły działającej na łożysko, urządzenia firmy Bently Nevada System 3300. Rys. 4. Zdjęcie przedstawia dyspozytornię odwirowni wirników[4] 4. Wyważanie wirników generatorów synchronicznych Wirniki turbogeneratorów wielkich mocy zaliczamy do grupy wirników gibkich dlatego muszą być wyważane w wielu płaszczyznach i w całym zakresie dopuszczalnych prędkości obrotowych[2]. Wirniki turbogeneratorów składają się z wielu odrębnych elementów wykonanych z różnych materiałów (stal, miedź, materiały izolacyjne) wiele części osadzonych jest na wale wirnika ze skurczem (sprzęgło, kołpaki, piasty wentylatorów). Pod wpływem sił odśrodkowych oraz wskutek nagrzania wirnika mogą wystąpić trwałe przemieszczenia poszczególnych jego elementów. Z tego powodu kontrola niewyważenia i doważenie powinno odbywać się w stanie nagrzanym podobnym do warunków w jakich wirnik jest eksploatowany. Wirnik przed ostatecznym wyważeniem jest odwirowany. Do takiego wyważania najlepiej przystosowane są specjalne wyważarki wysokoobrotowe[2]. Wykonanie próby wytrzymałości mechanicznej jest procesem niebezpiecznym i każdorazowo po wykonaniu próby przed ponownym najazdem należy dokonać szczególnych oględzin wirnika.
138 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 1/2014 (101) Rys. 5. Pełny cykl wyważania wirnika turbogeneratora w pięciu płaszczyznach korekcji[2] Ocena stanu dynamicznego wirnika opiera się na pomiarze drgań bezwzględnych łożysk i względnych drgań wału (ISO 1940, ISO 11342, ISO 7919, ISO 10816). Proces wyważania zakończony jest zdjęciem charakterystyk 1f i 2f stanu dynamicznego wyważanego wirnika. Rys. 6. Rozmieszczenie czujników pomiarowych podczas wyważania[4] Wirnik po remoncie powinien pracować w strefach A wymienionych norm. Charakterystyki ilustrują drgania bezwzględne 1f w kierunku poziomym oraz drgania względne wałów podczas próby wytrzymałości mechanicznej. Rys. 7. Charakterystyka 1f drgań bezwzględnych łożysk w kierunku poziomym[4] Rys. 8. Charakterystyki 1x przedstawiają poziomy drgań względnych wałów[4] 5. Badania wykonywane na odwirowni[4]: Poniżej przedstawiony został plan badań i prób zastosowany na odwirowni. Plan badań może zostać zmodyfikowany na życzenie klienta i dostosowany do indywidualnych potrzeb. Próby i pomiary wykonywane na odwirowni: wyważenie wstępne wirnika, pomiar stanu izolacji dla n= 0 obr/min bez i dla n = 3000 obr/min, w funkcji obrotów dla U = U n (co 500 obr/min), w funkcji napięcia dla n = 3000 obr/min. kontrola na obecność zwarć międzyzwojowych, oscylogramy dla n = 500, 1500 i 3000 obr/min (przy I=100A), zagrzanie uzwojenia wirnika na obrotach znamionowych do temperatury ok. 100 O C, wykonanie próby wytrzymałości mechanicznej 3400 lub 3600 obr/min 3 lub 2 minuty, pomiar stanu izolacji dla n = 0 i 3000 obr/min, próba napięciowa uzwojenia wirnika przy n = 3000 obr/min i temp. uzwojenia ~100 O C,
Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 1/2014 (101) 139 pomiar stanu izolacji po próbie napięciowej dla n = 0 i 3000 obr/min, w funkcji obrotów dla U=U n, temperaturze = 90 O C, od n = 0 do n= 3000 obr/min i od n= 3000 obr/min do n= 0 obr/min, co 500 obr/min, w funkcji napięcia przy n= 3000 obr/min wyważenie końcowe wirnika, schłodzenie wirnika, w funkcji obrotów dla U=U n, od n= 0 do n= 3000 obr/min i od n= 3000 obr/min do n= 0 obr/min (co 500 obr/min), w funkcji napięcia przy n= 3000 obr/min pomiar stanu izolacji dla n= 0 obr/min i dla n= 3000 obr/min, zabezpieczenie wyważników. Pomiary poremontowe nie wykazały zwarcia zwojowego. Zwarcia międzyzwojowe bardzo niekorzystnie wpływają na stan dynamiczny wirnika w czasie jego eksploatacji powodując znaczny wzrost drgań wraz ze wzrostem prądu wzbudzenia. Pomiary: pomiar stanu izolacji dla n = 0 obr./min. i dla n = 3000 obr./min. w funkcji obrotów dla U = U n (co 500 obr/min), w funkcji napięcia dla n = 3000 obr/min oscylogramy zwarć międzyzwojowych: Rys. 10. Oscylogramy zwarć międzyzwojowych wykonane przed remontem, n=3000obr/min[4] Rys. 9. Wirnik generatora podczas pomiarów elektrycznych [4] 6. Przykłady W artykule przedstawiono przykładowe pomiary na odwirowni dla dwóch wirników na których stwierdzono zwarcie międzyzwojowe. 6.1. Przypadek 1 Dane znamionowe: Typ: TWW-230 Prąd wzbudzenia 2470A Moc: 230 MW Napięcie wzbudzenia 335V RPM: 3000 obr/min Badany obiekt został przysłany z podejrzeniem zwarcia międzyzwojowego. Po próbach w stanie statycznym zostały przeprowadzone badania w stanie dynamicznym. Podczas zdejmowania oscylogramów zwarć międzyzwojowych wykryto zwarcie w cewce nr 3BI. W celach naprawczych zostały przezwojone dwie cewki po czym wirnik wrócił na stanowisko pomiarowe. Rys. 11. Oscylogramy zwarć międzyzwojowych wykonane po remoncie, n=3000obr/min [4] Rys. 12. Zdjęcie przedstawia wirnik podczas naprawy[4]
140 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 1/2014 (101) 6.2. Przypadek 2 Opisany poniżej przypadek dotyczy wirnika po remoncie kapitalnym. Wirnik przeszedł wszystkie próby w stanie statycznym i został dopuszczony do wyważania i pomiarów w stanie dynamicznym. Oscylogramy zwarć międzyzwojowych przeprowadzone na różnych prędkościach ujawniły zwarcie w cewce nr 9. Po zdemontowaniu kołpaków zlokalizowano zwarcie na czołach uzwojenia. Badany obiekt wrócił na stanowisko pomiarowe po pracach naprawczych. Oscylogramy wykonane po naprawie nie wykazały zwarcia. Dane znamionowe: Typ: TWW-200-2A Prąd wzbudzenia 2800A Moc: 277,8 MVA Napięcie wzbudzenia 335V RPM: 3000 obr/min Rys. 13. Oscylogramy zwarć międzyzwojowych z widocznym zwarciem, n=3000 obr/min [4] 7. Uwagi końcowe Wysokoobrotowa wyważarka daje możliwość przeprowadzenia pomiarów elektrycznych przy obrotach znamionowych remontowanego wirnika. Ponieważ podczas pracy wirnika na uzwojenie działa duża siła odśrodkowa, zyskujemy możliwość wykrycia wad niewidocznych podczas wykonywania pomiarów w stanie statycznym. Proces nagrzewania uzwojenia na obrotach umożliwia sprawdzenie swobody ruchów termicznych uzwojenia względem układu izolacyjnego i innych elementów konstrukcyjnych. Szczególnie w dużych maszynach niezawodność, poprawność działania z przyjętym programem eksploatacji jest bardzo ważna. Poprawnie wykonany remont, pomiary i uspokojenie stanu dynamicznego kompletnego wirnika dają pewność niezawodności maszyny i długotrwałej bezawaryjnej pracy. Dzięki wieloletnim doświadczeniom i ogromnej ilości wyważonych obiektów została stworzona duża baza danych, która służy do interpretacji osiągniętych wyników pomiarów. 8. Literatura [1]. Klempner G. Kerszenbaum I.: Operation and maintenance of large turbo-generators. ISBN 0-471-61447-5, Institute of Electrical and Electronics Engineers, Canada 2004. [2]. Łączkowski R.: Wyważanie elementów wirujących. WNT Warszawa 1979. [3]. Dokumentacja techniczno-ruchowa wyważarki Schenck DI90. [4]. Plany badań i prób, instrukcje wewnętrzne, zdjęcia i wyniki pomiarów - TurboCare Poland S.A. Lubliniec. Autorzy dr hab. inż. Sławomir Szymaniec prof. PO Politechnika Opolska. Wydział Elektrotechniki, Automatyki. i Informatyki. Katedra Elektrowni i Systemów Pomiarowych. 45-758 Opole ul. Prószkowska 76, bud. 1 s.szymaniec@po.opole.pl Paweł Rydlik TurboCare Poland S.A. www.turbocare.pl pawel.rydlik@turbocare.pl Rys. 14. Oscylogramy zwarć międzyzwojowych wykonane po naprawie, n=3000obr/min [4]